Przegląd procesorów ogólnego przeznaczenia

Poniedziałek, 25 września 2006 | Technika

Przedstawiając świat procesorów niespecjalizowanych trzeba dokonać podziału na procesory firmowane tylko jedną marką i na te, których architektura jest wykorzystywana przez wielu producentów - dzięki możliwości nabycia licencji na produkcję układów zawierających dane jądro. Wśród tych pierwszych znajdą się takie modele jak PowerPC IBM, czy Sparc produkcji SUN, podczas gdy druga grupa składa się z układów z jądrem typu MIPS lub ARM. Te drugie mają to do siebie, że często sama ich architektura dostępna jest w postaci kodu VHDL, który następnie może być załadowany do układu programowalnego lub wykorzystany do wygenerowania własnego projektu układu.

To ostatnie rozwiązanie to wybierane jest przez duże firmy mające środki na wykonanie własnego projektu dla całego układu scalonego „od zera”, podczas gdy inne firmy decydują się raczej na włączenie gotowego modułu procesora do swojego opracowania. Obie te możliwości mają duży wpływ na rynek, dając projektantom systemów szeroki wybór potencjalnych układów scalonych opartych na tej samej architekturze jądra, ale zawierających różne ilości pamięci, taktowanych różnymi zegarami, lub też obudowanych przeróżnymi układami I/O. Nic nie stoi na przeszkodzie, by wszystkie te parametry dobrać samemu, wgrywając całość do układu FPGA.

Procesory

Schemat blokowy procesora Freescale MPC8540

Niewątpliwie, najbardziej znaną marką powszechnie używanych procesorów jest Intel, wraz ze zgodną ze standardem x86 rodziną Pentium, dostępną obecnie w czwartej już odsłonie. Procesory te należą do grupy CISC (Complex Instruction Set Computers), czyli mają rozszerzoną listę rozkazów. Układy te oferowane są zarówno w wersji 32- jak i 64-bitowej. Część z modeli oferuje technikę HT (Hyper Threading), a najnowsze z nich składają się z 2 jąder, co znacząco podnosi wydajność przetwarzania wielowątkowego. Procesory te przeznaczone są głównie do komputerów typu PC i serwerów, ale producent sprzedaje także egzemplarze wykonane zgodnie z zmodyfikowanymi projektami starszych jąder, oferując tym samym produkty o obniżonym poborze mocy, czy też niskim napięciu zasilania. Te grupy produktów przeznaczone są do zastosowań w urządzeniach wbudowanych i bardzo często są elementami urządzeń do zastosowań w przemyśle i systemów embedded.
Wbrew pozorom, Intel to nie tylko x86 i Pentium. W ramach jego oferty można także znaleźć procesory wyspecjalizowane jak 64-bitowe Itanium zbudowane w architekturze EPIC (Explicity Parallel Instruction Computing) przeznaczone do serwerów, czy też seria IXP4xx oparta o jądro XScale (które wywodzi się z architektury ARM), wykorzystywana głównie w urządzeniach komunikacyjnych i małych akcesoriach multimedialnych.
Oczywiście, Intel nie jest odosobniony w swoich działaniach. Otoczony jest poważnymi konkurentami, którzy nie tylko dotrzymują mu kroku, ale również często wyprzedzają swoimi produktami procesory Intela pod względem ceny, a czasem i wydajności. Należy tu wymienić firmy AMD i VIA, z czego ta pierwsza produkuje wydajne układy Athlon, jak i energooszczędne Geode, a druga z nich modele takie jak C-7, C-3 i Eden. Trzeba jednak przyznać, że w zakresie rozwiązań o niskim poborze mocy, produkty Intela, takie jak Pentium 3 ULV, czy Celeron ULV, oferują większą wydajność, przy zachowanym niższym zegarze taktującym, ale i odpowiednio więcej kosztują.

Wypada też wspomnieć o Transmecie i jej procesorach Crusoe i Efficeon, które chwalone są głównie za niski pobór mocy, lecz nie zdobyły sobie dużej części rynku. Ostatnio można je spotkać w niektórych notebookach i komputerach przemysłowych.
Kolejnym producentem jest Freescale - czyli dawna Motorola, wraz z rodziną procesorów komunikacyjnych PowerQuicc. W najnowszej, trzeciej generacji, są one wykonywane w technologii 90nm, a ich głównym przeznaczeniem są telefony komórkowe, urządzenia multimedialne i sieciowe. Obsługują także najnowsze standardy, takie jak pamięci DDR2, magistralę PCI Express, czy też gigabitowy Ethernet. Budowa PowerQuicc opiera się na integracji procesora PowerPC typu RISC z mikrokontrolerem odciążającym główny procesor w zadaniach komunikacyjnych. Wiele z procesorów PowerQUICC zbudowane jest tak, aby systemy na nich oparte dobrze się skalowały, co w praktyce oznacza możliwość budowania konstrukcji wieloprocesorowych.
Wspominając o PowerPC, nie można pominąć firmy IBM, która jest głównym producentem tych procesorów. Stosowanie architektury „Power” jest o tyle korzystne, że jądro procesora typu RISC dostępne jest także jako oddzielny moduł, możliwy do aplikacji w innych układach scalonych. O ile najnowsze modele z serii PowerPC 6XX, 7XX i 9XX są dostępne tylko jako gotowe produkty, to jądra PowerPC405 i 440 są zawarte w układach programowalnych Xilinxa i Altery.
Architektura Power jest także wykorzystywana w innych procesorach, takich jako Power4, Power5 czy PowerND. Jej najnowszym rozwinięciem ma być długo zapowiadany procesor Cell, przeznaczony do zastosowań wymagających największych mocy obliczeniowych. Obecnie, z procesorów Power korzystają serwery i stacje robocze IBM, komputery Apple, a także konsole do gier Nintendo.
Ostatnią z wymienionych rodzin procesorów będą produkty firmy SUN - jednostki UltraSparc. W praktyce, pracownicy z Sun Microsystems jedynie je projektują, a rzeczywista produkcja odbywa się w zakładach Texas Instruments. Nie zmienia to jednak faktu, że za rozwój tej specyficznej architektury odpowiada pierwsza z wspomnianych firm. Główne zastosowanie procesorów Sparc to wydajne serwery i stacje robocze. Największymi zaletami jest duża wydajność, na którą znaczący wpływ ma obszerna pamięć cache i wbudowane kontrolery pamięci. Obecnie wykorzystywana, 64-bitowa architektura, ma nazwę kodową V9, a najnowsze procesory produkowane są w technologii 90nm.

Architektury logiczne

Schemat blokowy jądra MIPS64 20Kc

Wśród architektur spotykanych w wielu procesorach wielu producentów, jedną z najbardziej popularnych jest prosta architektura MIPS - Microprocessor without Interlocked Piped Stages. Jej pierwsza odsłona w postaci projektu procesora R2000 ujrzała światło dzienne w 1985 roku i została na tyle dobrze przyjęta przez producentów elektroniki, że jeszcze niedawno, wedle szacunków, jedna trzecia produkowanych procesorów RISC była oparta na kolejnych wersjach MIPS. Najnowszym produktem MIPS Technologies jest MIPS 34K, dzięki któremu firma chce odzyskać traconą ostatnio pozycję lidera, wprowadzając m.in. zaawansowaną obsługę wielowątkowości, jednocześnie zachowując cenioną prostotę programowania procesorów MIPS. Głównymi zastosowaniami produktów MIPS są routery, systemy embedded, jak również wszystkie stacje robocze SGI i niektóre z konsoli do gier.
Podczas gdy MIPS traci na popularności, jego dominację przejmuję trochę bardziej skomplikowana architektura RISC, znana jako ARM. Już sama nazwa wskazuje na cele, jakie przyświecały jej twórcom. Układy Advanced RISC Machine miały zostać liderem na rynku uniwersalnych, energooszczędnych układów przetwarzania danych i tak się stało. W chwili obecnej, około trzy-czwarte montowanych w systemach embedded, 32-bitowych procesorów bazuje na jądrze ARM. Procesory te montowane są w telefonach komórkowych, urządzeniach sieciowych i sprzęcie multimedialnym. Najnowsze z procesorów ARM mają instrukcje wspierające obsługę Javy, co przyczynia się do dużego wzrostu wydajności w aplikacjach napisanych w tym języku - popularnych w telekomunikacji, ze względu na swoją przenośność. Pomimo większych kosztów związanych z rozwijaniem oprogramowania na procesory ARM, ich popularność stale rośnie.

Marcin Karbowniczek

Schemat blokowy procesora IBM PowerPC 750